cmos工艺集成电路抗辐射加固设计分析

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1、第一章绪论1．1单粒子效应的历史回顾历史上第一篇从理论上揭示单粒子翻转现象的论文是在阐述等比例缩小工艺的发展趋势中提出来的【l】。在1962年出现的这篇论文中，作者预言由于在地面上存在宇宙射线，所以当工艺尺寸缩小到一定程度后必然会发生单粒子翻转现象。1975年，Binder等第一次在论文中宣布观察到了由于宇宙射线引起的单粒子翻转现象【2】。该篇论文指出，一颗已运行了17年的通信卫星中的双极型JK触发器被发现有四个单粒子翻转。也许是因为发现的单粒子翻转数目f更少，这篇文章并没有引起业界对单粒子翻转现象的重视。直到1978年，人们开始逐渐认识到单粒子翻转现象的重要性，并且在NSREC(原子

2、和空间辐射会议，由IEEE组织)上出现了很多研究单粒子翻转的论文。随着在太空发现单粒子翻转后不久，使用在地面的集成电路被首次发现单粒子翻转现象[3】。这位在Intel工作的作者发现DRAM的集成密度从16K增加到64K的时候，芯片出现了重大的错误率。在这个发现的带动下，20世纪70年代末，涌现了很多针对地面单粒子翻转现象的研究和工作。在地面上芯片发生软错误(即单粒子翻转现象)的原因很快被找到。主要原因是芯片的封装材料中包含了a粒子的污染物。比如：Intel的问题是因为他们的新的LSI的陶瓷封装车间正好建立在一座遗弃的铀矿的下游。这个车间使用的水中带有放射性的污染物，就这样，这些放射性的

3、污染物就进入了陶瓷的封装材料中。所以通过使用一些低放射性的材料来制造IC芯片和对芯片加一防护层(on-chipshieldingcoating)的方法，可以从根本上消除地面上芯片发生单粒子翻转现象。这两种方法被工业界普遍使用，而且很多年使用下来，效果很好。但是，最近情况发生了变化。倒装晶格(flip—flop)的封装方法和多层金属布线会加剧单粒子效应。20世纪70年代末，出现了一系列的证据，验证了在卫星的存储子模块中观察到的软错误，的确是由宇宙射线触发的单粒子翻转现象引起的。并且此时，第一个预测系统的软错误率的模型被提出【7】。到70年代末的时候，随着卫星系统使用的存储器的尺寸增加，运

4、行的卫星每天发生的软错误数量已经不能被忽略。结合地面上观察到的软错误，越来越多的证据让人们意识到除了Q粒子会产生单粒子翻转效应外，还有其他的机制也会产生单粒子翻转现象。第一篇描述观察到单粒子翻转现象的论文，指出存储位的单粒子翻转是因为重离子的直接电离效应产生的【2】，【4】。到1979年的时候，两个团队在NSREC第一章绪论上指出，质子和电子的间接电离也是发生单粒子翻转的一种机制[5】[6】。因为在自然空间环境中，质子的分布比重离子广，数量也多，所以这是一个非常重要的发现。这个发现表明：不仅是宇宙射线可以使芯片发生单粒子翻转，太阳风中的质子和地球辐射带中捕获的质子都可以使芯片发生单粒子

5、翻转现象。事实上，在低地球轨道工作的芯片发生单粒子翻转，多数是因为由于质子触发的。Guenzer等第一次在论文中使用“Single．eventupset”(单粒子翻转)这个术语[6】。这个术语迅速被同行采用，用来描述由于直接电离和间接电离产生的集成电路的翻转现象。在1979年的时候，也是第一次发现芯片发生单粒子闩锁效应【7】。20世纪80年代初，对单粒子翻转的研究继续增多。到1980年，NSREC有专门的专题来探讨单粒子现象。在这个十年里，针对单粒子翻转的加固设计方法被大量的提出和使用【8】，【9】。同时，对单粒子现象的基本形成机制的研究，增加了人们对这个问题的理解。80年代，对单粒子

6、的翻转的研究主要集中在DRAM、SRAM、非挥发性的存储器、锁存器和触发器上。在这十年里，成功使用在军事和空间上的芯片，证实了研究人员对于单粒子翻转现象的理解以及一些加固技术的正确性。80年代也出现了一些研究是针对以后可能会出现的其他的单粒子效应。比如：由于电路的组合逻辑或者嵌入的核心逻辑发生单粒子瞬变现象(Single．eventtransient，SET)，而引起芯片错误。1984年，来自Intel的May的论文被国际可靠性物理会议(InternationalReliabilityPhysicsSymposium)评为最佳论文。该论文对工作在动态操作的Intel微处理器进行了一些非

7、常有启迪作用的单粒子实验【10】。May指出微处理器中的某个节点发生的单粒子混乱会在短时间里传递到芯片的其他地方。80年代后期也出现了一些对组合电路单粒子现象进行研究的论文(比如：【11][121[13】)，但是都被大量的关于存储器的单粒子翻转效应的论文所掩盖。20世纪90年代，出现了两个原因，使得单粒子翻转的重要性继续得到加强。第一个原因是：可以提供集成电路辐射加固(包括单粒子翻转加固)的工艺线的数目急剧减少。这个原因使得航天系统中使用通用工